三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统技术方案

本发明专利技术提供三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法和系统，其方法包括：在依据三个及以上自由度的机器人视觉测量系统的结构参数所建立的测量坐标系中表达待测点的像点及各交会点坐标，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值；构建了载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中各独立运动部件的姿态参数和臂长、第一交切距及第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及第二主光轴旋转半径。本发明专利技术提供的方法和系统，无需前方控制点即可对空间待测点进行测量，创新了基于三个及以上自由度视觉测量系统结构参数的前方交会测量的方法，实现适用性更广泛的摄影测量。更广泛的摄影测量。更广泛的摄影测量。

【技术实现步骤摘要】
三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统


[0001]本专利技术涉及数字摄影测量
，尤其涉及一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统。

技术介绍

[0002]随着机器视觉技术和AI技术在精细农业和机器人领域的应用需求的扩展，在农业以及其他行业的自动化智能化作业中，对高精度、无控制点测量的需求越来越高。
[0003]基于单目或多目摄像机的前方交会摄影测量一般需要基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量，而现有技术中难以基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量。因此，如何基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统，用以解决现有技术中难以基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量的缺陷，实现基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量是本领域亟待解决的技术问题。
[0005]本专利技术提供一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，包括：
[0006]基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定，所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一所述独立运动部件对应的部件坐标系与所述测量坐标系的变换关系确定；其中，所述载体为三个及以上自由度机器人；所述载体上固定有视觉传感器；所述视觉传感器用于获取待测点的图像；
[0007]获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建所述载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定所述载体位于预设位下各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系与所述测量坐标系之间的关系；所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一所述独立运动部件位于初始姿态的情况下，所述载体位于预设位；所述结构参数包括：所述视觉传感器的相机内参数、所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一所述独立运动载体部件的臂长；所述结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；所述第二交切距及所述第二主光轴旋转半径，是基于所述第一交切距、所述第一主光轴旋转半径和所述姿态坐标系变换矩阵获取的；
[0008]基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于预设位和实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，所述待测点的像点为所述待测量点在所述视觉传感器中的成像点；所述交会点为所述视觉传感器上所述像点和所述待测点连接光线的交会点；所述主光轴旋转半径为主光轴随所述载体旋转所形成切球的半径；所述交切距为所述主光轴与所述切球的切点和所
述交会点之间的距离；
[0009]利用所述视觉传感器，获取包括所述待测点的图像，基于所述待测点的图像在所述测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于所述结构参数、所述姿态坐标系变换矩阵和所述测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一所述配准像点对应的配准像点矢量，基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值，根据所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值以及所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系，获得所述待测点在所述世界坐标系中的坐标值。
[0010]根据本专利技术提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述基于载体和预设位置关系建立测量坐标系，具体包括：
[0011]根据所述世界坐标系所在的部件，获取所述载体中空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件，并在所述空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件的旋转端建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定；
[0012]将所述测量坐标系所在部件的旋转端，作为所述测量坐标系原点O
M
，构建所述测量坐标系；
[0013]确定所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系与所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵；
[0014]其中，所述独立运动部件包括旋转端和部件端，所述部件端可绕所述旋转端旋转。
[0015]根据本专利技术提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，具体包括：
[0016]获取所述视觉传感器的焦距，在所述视觉传感器对应的传感器坐标系中标定所述主点O
cn
的坐标；
[0017]在所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系中的各个轴与所述测量坐标系中的各个轴平行，但方向和名称不同；若各所述独立运动部件的姿态不为初始姿态，则将各所述独立运动部件的姿态旋转变换至初始姿态，再在所述载体位于预设位的情况下，获取第k个独立运动部件L
k
从预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
[0018]在所述第k个独立运动部件L
k
位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件L
k
位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵表示为：
[0019][0020]其中，a表示实际位的标识；p表示预设位的标识；i＝1，2，3
…
，k
‑
1，k表示所述载体中所述独立运动部件的数量；n表示所述载体的运动次数；L
k
表示第k个独立运动部件；所述视觉传感器固定于所述第k个独立运动部件L
k
的部件端，相对于其他独立运动部件，所述第k个独立运动部件与所述载体本体之间的视觉测量相关的独立运动部件数最多；表示所述第k个独立运动部件L
k
在所述载体完成第n次运动之后，所述载体在第n
‑
1次运动后
的实际位到第n次运动后的实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，所述载体的运动次数n为各独立运动部件旋转端运动次数的总和，载体每一次运动对应一个独立运动部件旋转端的运动；R
kp
表示所述第k个独立运动部件L
k
位于预设位下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系到所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵。
[0021]根据本专利技术提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述获取结构参数，具体包括：
[0022]获取所述独立运动部件的旋转端和部件端之间的长度，作为所述独立运动部件的臂长，获取所述独立运动部件运动时姿态值，作为所述独立运动部件的姿态参数，
[0023]在所述载体位于实际位，保持所述视觉传感器有两个方向垂直的自由度，且其中一个自由度是由所述第k个独立运动部件提供的情况下，将所述视觉传感器随所述载体旋转时主光轴旋转形成切球的半径作为所述第一主光轴旋转半径ρ0，将主光轴与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，包括：基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定，所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一所述独立运动部件对应的部件坐标系与所述测量坐标系的变换关系确定；其中，所述载体为三个及以上自由度机器人；所述载体上固定有视觉传感器；所述视觉传感器用于获取待测点的图像；获取所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建所述载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定所述载体位于预设位下各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系与所述测量坐标系之间的关系；所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一所述独立运动部件位于初始姿态的情况下，所述载体位于预设位；所述结构参数包括：所述视觉传感器的相机内参数、所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一所述独立运动载体部件的臂长；所述结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；所述第二交切距及所述第二主光轴旋转半径，是基于所述第一交切距、所述第一主光轴旋转半径和所述姿态坐标系变换矩阵获取的；基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于预设位和实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，所述待测点的像点为所述待测量点在所述视觉传感器中的成像点；所述交会点为所述视觉传感器上所述像点和所述待测点连接光线的交会点；所述主光轴旋转半径为主光轴随所述载体旋转所形成切球的半径；所述交切距为所述主光轴与所述切球的切点和所述交会点之间的距离；利用所述视觉传感器，获取包括所述待测点的图像，基于所述待测点的图像在所述测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于所述结构参数、所述姿态坐标系变换矩阵和所述测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一所述配准像点对应的配准像点矢量，基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值，根据所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值以及所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系，获得所述待测点在所述世界坐标系中的坐标值。2.根据权利要求1所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，所述基于载体和预设位置关系建立测量坐标系，具体包括：根据所述世界坐标系所在的部件，获取所述载体中空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件，并在所述空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件的旋转端建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定；将所述测量坐标系所在部件的旋转端，作为所述测量坐标系原点O
M
，构建所述测量坐标系；确定所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系与所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵；其中，所述独立运动部件包括旋转端和部件端，所述部件端可绕所述旋转端旋转。
3.根据权利要求2所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，所述获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，具体包括：获取所述视觉传感器的焦距，在所述视觉传感器对应的传感器坐标系中标定所述主点O
cn
的坐标；在所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系中的各个轴与所述测量坐标系中的各个轴平行，但方向和名称不同；若各所述独立运动部件的姿态不为初始姿态，则将各所述独立运动部件的姿态旋转变换至初始姿态，再在所述载体位于预设位的情况下，获取第k个独立运动部件L
k
从预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵在所述第k个独立运动部件L
k
位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件L
k
位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵表示为：其中，a表示实际位的标识；p表示预设位的标识；i＝1，2，3
…
，k
‑
1，k表示所述载体中所述独立运动部件的数量；n表示所述载体的运动次数；L
k
表示第k个独立运动部件；所述视觉传感器固定于所述第k个独立运动部件L
k
的部件端，相对于其他独立运动部件，所述第k个独立运动部件与所述载体本体之间的视觉测量相关的独立运动部件数最多；表示所述第k个独立运动部件Lk在所述载体完成第n次运动之后，所述载体在第n
‑
1次运动后的实际位到第n次运动后的实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，所述载体的运动次数n为各所述独立运动部件旋转端运动次数的总和，所述载体每一次运动对应一个所述独立运动部件旋转端的运动；R
kp
表示所述第k个独立运动部件L
k
位于预设位下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系到所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵。4.根据权利要求3所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，所述获取结构参数，具体包括：获取所述独立运动部件的旋转端和部件端之间的长度，作为所述独立运动部件的臂长，获取所述独立运动部件运动时姿态值，作为所述独立运动部件的姿态参数，在所述载体位于实际位，保持所述视觉传感器有两个方向垂直的自由度，且其中一个自由度是由所述第k个独立运动部件提供的情况下，将所述视觉传感器随所述载体旋转时主光轴旋转形成切球的半径，作为所述第一主光轴旋转半径ρ0，将主光轴与所述切球的切点P
n
和交会点F
n
之间的距离，作为所述第一交切距d
z
；基于所述第一交切距d
z
、所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述姿态坐标系变换矩阵获取所述测量坐标系原点O
M
与所述测量坐标系原点O
M
投射到主光轴上的垂足P
′
n
的距离，作为所述第二主光轴旋转半径ρ
0n
，将所述交会点F
n
和所述垂足P
′
n
之间的距离，作为所述第二交切距d
zn
。5.根据权利要求4所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征
在于，所述基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量，具体包括：在所述载体位于预设位的情况下，所述第k个独立运动部件旋转端的中心O
kp
与所述载体位于预设位时的交会点F
p
之间的矢量所述载体位于预设位时的交会点F
p
与所述传感器坐标系的原点Oc

【专利技术属性】
技术研发人员：王建仑，吕鹏，曹金铎，邓黄天赐，陈虎圣，黄盛，胡宝月，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：